DE102005019757A1

DE102005019757A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Behandeln von Flächen metallischer Bauelemente mittels Laserstrahls

Info

Publication number: DE102005019757A1
Application number: DE102005019757A
Authority: DE
Inventors: Farsad Amiri; Waldemar Gezarzick; Andreas Dr. Seitzer
Original assignee: SMS Elotherm GmbH
Current assignee: SMS Elotherm GmbH
Priority date: 2005-04-28
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2006-11-02
Also published as: WO2006114446A1; WO2006114446A8

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zum Behandeln von Flächen (F) von metallischen Bauelementen, insbesondere zum Behandeln der Laufbahnen der Zylinderöffnungen (Z) von Verbrennungsmotorblöcken (M), mittels eines Laserstrahls (L), mit einer Umlenkoptik (14) zum Umlenken des Laserstrahls (L) aus einer in Längsrichtung der zu bearbeitenden Fläche gerichteten Richtung in eine von dieser abweichenden, zu der zu bearbeitenden Fläche (F) gerichteten Richtung. Bei einer solchen Vorrichtung bzw. einem entsprechenden Verfahren lässt sich mit einfachen Mitteln die Gefahr einer vorzeitigen Verschmutzung der Linse dadurch minimieren, dass vor der Umlenkoptik (14) eine lichtdurchlässige Umlenkeinheit (13, 113) mit planparallel zueinander und schräg zur Richtung, mit der der Laserstrahl (L) auf die Umlenkeinheit trifft, angeordneten Durchtrittsflächen für den Laserstrahl (L) positioniert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Behandeln von Flächen metallischer Bauelemente, insbesondere zum Behandeln der Laufbahnen der Zylinderöffnungen von Verbrennungsmotorblöcken, mittels eines Laserstrahls.
Vorrichtungen und Verfahren der voranstehend angegebenen Art werden beispielsweise eingesetzt, um an Flächen, die im praktischen Einsatz einer Reibbelastung unterworfen sind, eine Schicht zu erzeugen, die auf Grund ihrer Oberflächenstruktur, ihres Gefüges oder ihrer Zusammensetzung eine besonders hohe Verschleißfestigkeit besitzt. Üblicherweise wird zu diesem Zweck ein Laserstrahl von hoher Energiedichte verwendet, der mittels geeigneter Umlenkspiegel auf die zu behandelnde Fläche gerichtet wird.

Soll auf diese Weise eine bestimmte Oberflächenstruktur erzeugt werden, so wird, wie beispielsweise in der deutschen Patentschrift DE 197 11 232 C2 beschrieben, ein Laserstrahl eingesetzt, der so lange auf das die jeweilige Fläche tragende Grundmaterial gerichtet wird, bis die angestrebte Einebnung bzw. Aufrauung erreicht ist.

Gemäß der Veröffentlichung EP 1 041 173 A1 der Europäischen Patentanmeldung 00 105 126.7 ist es zudem möglich, mit einem Laserstrahl den von ihm jeweils getroffenen Oberflächenabschnitt so weit aufzuschmelzen, dass gezielt eine Änderung des Gefüges herbeigeführt oder eine Änderung der Zusammensetzung des Grundmaterials durch Hinzufügen von härtesteigernden Elementen erfolgen kann.

Ein grundsätzliches Problem bei der Behandlung von größeren Oberflächen mittels eines Laserstrahls besteht darin, dass der Laserstrahl die zu bearbeitende Fläche in der Regel auf Grund der begrenzten verfügbaren Energie nicht vollständig erfassen kann, sondern dass die Bearbeitung abschnittsweise durchgeführt werden muss. Um dies zu bewerkstelligen, muss eine exakte Führung des Laserstrahls gewährleistet sein. Dies gilt sowohl bei der Bearbeitung von gekrümmten als auch von ebenen Flächen.

Zusätzlich erhöht werden die an die Strahlführung gestellten Anforderungen dadurch, dass auch die Intensität und die Intensitätsverteilung, mit der der Laserstrahl den jeweiligen Flächenabschnitt erfasst, exakt eingestellt und eingehalten werden müssen, um das jeweils gewünschte Arbeitsergebnis zu erzielen.

Ein typisches Anwendungsgebiet für Verfahren und Vorrichtungen der in Rede stehenden Art ist die Behandlung der Laufflächen der Zylinderöffnungen von Verbrennungsmotoren. Diese Flächen sind im praktischen Einsatz hohen Reibbelastungen auf Grund der Relativbewegungen ausgesetzt, die der sich in der Zylinderöffnung jeweils auf- und abbewegende Kolben ausführt.

Um zylindrisch gekrümmte Flächen mit einem Laserstrahl zu bearbeiten, wird der Laserstrahl üblicherweise derart geführt, dass er koaxial zu einer mit der Krümmungsachse zusammenfallenden Drehachse einer Umlenkoptik in die jeweilige Zylinderöffnung einfällt. Bei einer ersten bekannten Vorrichtung der eingangs angegebenen Art trifft der Laserstrahl dann auf eine Umlenkeinrichtung, die in der Regel aus einem mit einem Linsensystem kombinierten Umlenkspiegel gebildet ist und den Laserstrahl in Richtung der zu behandelnden Fläche projiziert. Durch die Rotation der Umlenkoptik wird umlaufend jeweils ein Streifen der zu behandelnden Fläche mit dem Laserstrahl belichtet. Sobald die Bearbeitung des jeweiligen Streifenabschnitts der zu behandelnden Fläche abgeschlossen ist, wird die gesamte Optik in axialer Richtung verschoben und der an den zuvor bearbeiteten Streifen angrenzende Abschnitt bearbeitet. Alternativ ist es auch möglich, die Umlenkoptik kontinuierlich in axialer Richtung der jeweils bearbeiteten Öffnung zu bewegen, so dass der Laserstrahl in einem wendelförmigen Streifenverlauf über die zu bearbeitende Fläche geführt wird.

Der Vorteil der Rotation der Umlenkoptik besteht darin, dass deutlich geringere Massen beschleunigt und abgebremst werden müssen, höhere Drehzahlen realisiert werden können, der Wechsel von einem auf einen anderen Zylinder schneller erfolgen kann und mehrere Zylinder eines Blocks simultan bearbeitet werden können. Auch für die Verstellung der Optik in Achsrichtung können Stelleinrichtungen eingesetzt werden, die auf Grund der geringen bewegten Massen hinsichtlich ihrer Stellgenauigkeit optimiert sein können.

Um eine gleichmäßige Ausleuchtung des jeweils bearbeiteten Flächenabschnitts zu gewährleisten, wird der Laserstrahl bei den bekannten Vorrichtungen durch eine Blende geleitet. Die Öffnung dieser Blende ist dabei so eingestellt, dass die Randbereiche, in denen die Energiedichte des Laserstrahls geringer ist, abgeschirmt werden. Auf diese Weise gelangt nur noch die Strahlmitte, in der eine relativ gleichmäßige Energieverteilung vorliegt, zur Umlenkoptik.

Weitere bekannte Instrumente zur Strahldrehung sind Spiegelkombinationen und so genannte Dove-Prismen. Diese zeichnen sich jedoch in der Regel durch eine hohe Justageempfindlichkeit aus, wodurch ein Einsatz in intensiv bewegten Konstruktionen erschwert wird.

Eine andere Möglichkeit der Führung des Laserstrahls bei der Behandlung von zylindrischen Laufflächen ist aus der JP 56-05923, bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung zur Behandlung der Fläche von Bohrungen von Bauteilen, die in Bezug auf die Längsachse der Bohrung symmetrisch ausgebildet sind, wird der Laserstrahl über eine während der Bearbeitung stillstehende Umlenkoptik auf die zu behandelnde Fläche gelenkt, während das zylindrische Bauteil um eine achsparallel zur Längsachse der bearbeiteten Bohrung ausgerichtete Drehachse gedreht wird. Auf diese Weise kann das für die Führung des Laserstrahls eingesetzte System aus Blende und Umlenkoptik im Hinblick auf eine maximale Ausbeute der Laserenergie optimiert werden.

Unabhängig davon, ob die Umlenkoptik in Bezug auf die Rotation stillsteht oder das jeweilige Werkstück, besteht abhängig von den räumlichen Gegebenheiten auf Grund der unvermeidbar eng benachbarten Anordnung von Umlenkoptik und zu bearbeitender Fläche die Gefahr, dass die Verfügbarkeit von Vorrichtungen der in Rede stehenden Art durch eine übermäßige Verschmutzung stark beeinträchtigt wird. Diese Verschmutzung ist eine Folge der Ablation von Partikeln von der zu bearbeitenden Fläche und des daraus resultierenden, gegen die Umlenkoptik gerichteten Partikelstroms. Die Ablationsprodukte bewegen sich darin mit sehr hoher Geschwindigkeit auf die Umlenkoptik zu. Gleichzeitig weisen sie eine so hohe Temperatur auf, dass es zum Einbrennen und festem Anhaften der Partikel an der Oberfläche der Umlenkoptik kommt.

Ausgehend von dem voranstehend erläuterten Stand der Technik bestand die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, bei denen mit einfachen Mitteln die Gefahr einer vorzeitigen Verschmutzung der Linse minimiert ist.

In Bezug auf eine Vorrichtung zum Behandeln von Flächen metallischer Bauteile, insbesondere zum Behandeln der Laufbahnen der Zylinderöffnungen von Verbrennungsmotorblöcken, mittels eines Laserstrahls, mit einer Umlenkoptik zum Umlenken des Laserstrahls aus einer in Längsrichtung der zu bearbeitenden Fläche gerichteten Richtung in eine von dieser abweichende, zu der zu bearbeitenden Fläche gerichtete Richtung, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen der Blende und der Umlenkoptik eine lichtdurchlässige Umlenkeinheit mit planparallel zueinander und schräg zur Richtung, mit der der Laserstrahl auf die Umlenkeinheit trifft, angeordneten Durchtrittsflächen für den Laserstrahl positioniert ist.

In entsprechender Weise wird die voranstehend genannte Aufgabe in Bezug auf ein Verfahren zum Behandeln von Flächen metallischer Bauteile, insbesondere zum Behandeln der Laufbahnen der Zylinderöffnung von Verbrennungsmotorblöcken, mittels eines Laserstrahls, bei dem mit Hilfe einer Umlenkoptik aus einer in Längsrichtung der zu bearbeitenden Fläche gerichteten Richtung in eine von dieser abweichende, zu der zu bearbeitenden Fläche gerichtete Richtung umgelenkt wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Laserstrahl vor seinem Auftreffen auf die Umlenkoptik derart geführt wird, dass seine Mittelachse achsparallel zur Drehachse, jedoch versetzt zu dieser angeordnet ist.

Die Erfindung sieht vor, dass vor der Umlenkoptik eine lichtdurchlässige Umlenkeinheit mit planparallel zueinander und schräg zur Längsachse des Gehäuses angeordneten Durchtrittsflächen für den Laserstrahl angeordnet ist. Eine besonders einfache Bauform dieser Umlenkeinheit ergibt sich dabei dann, wenn die Umlenkeinheit als Platte ausgebildet ist.

Beim Durchtritt durch die Umlenkeinheit wird der Laserstrahl transversal versetzt, so dass seine Längsachse nach dem Verlassen der Platte gegenüber der Längsachse des Gehäuses versetzt verläuft. Das Maß des Versatzes ist dabei abhängig von dem Winkel, unter dem das Umlenkelement gegenüber der Längsachse des Gehäuses schräg angeordnet ist, und der Dicke der betreffenden Umlenkeinheit. Die Verwendung einer solchen Umlenkeinrichtung hat den Vorteil, dass die Umlenkoptik mit größerem Abstand von der zu behandelnden Fläche angeordnet werden kann.

Grundsätzlich lassen sich die Vorteile der Erfindung bei der Bearbeitung von ebenen und gekrümmten Flächen in gleicher Weise nutzen. Besonders günstig erweist sich die erfindungsgemäß eröffnete Möglichkeit der beabstandeten Anordnung der Umlenkoptik gegenüber der jeweils bearbeiteten Fläche jedoch bei der Bearbeitung von zylindrischen Flächen von Bohrungen oder anderen zylindrisch geformten Öffnungen. Bei derartigen Öffnungen ist der für das Einführen der Optik zur Verfügung stehende Raum in der Regel stark begrenzt. Durch die erfindungsgemäße Versetzung der Achse des Laserstrahls lässt sich insbesondere bei der Bearbeitung von Innenflächen von Zylinderbohrungen mit kleinen Durchmessern ein maximaler Abstand zwischen der Umlenkoptik und dem jeweils bearbeiteten Flächenabschnitt herstellen.

Überraschend hat sich gezeigt, dass die durch den erfindungsgemäß hergestellten Versatz erreichte Vergrößerung des Abstands zwischen der Umlenkoptik und der zu bearbeitenden Fläche so groß ist, dass sie zu einem deutlich verminderten Anfall von Ablationsprodukten auf der Umlenkoptik führt. So kühlen die von der bearbeiteten Fläche ausgehenden Partikel stärker ab, bevor sie die Optik erreichen. Im Ergebnis kann die in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzte Umlenkoptik so über einen längeren Zeitraum bei hoher Leistung verwendet werden, als dies beim Stand der Technik möglich ist. Die Zeitintervalle, die zwischen dem Wechsel der Umlenkoptik vergehen, können so deutlich verlängert werden, so dass auch die Betriebskosten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber dem Stand der Technik gesenkt sind. Um die erkalteten Partikel zu aus dem Bereich der Umlenkoptik zu entfernen, kann eine an sich bekannte Absaugeinrichtung vorgesehen sein, die einen Luft- oder anderen Gasstrom aus dem Bearbeitungsbereich absaugt, in dem es zur Ablösung und zum Niederschlag von Partikeln kommt.

Mit der Erfindung stehen somit eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung, die es ermöglichen, bei geringem apparativen Aufwand mit hoher Betriebssicherheit und ebenso hoher Präzision die Oberflächen von Werkstücken zu bearbeiten, die eine große Masse mit einer in Bezug auf Laser unsymmetrischen Massenverteilung aufweisen. Bei erfindungsgemäßer Vorgehensweise müssen derartige Werkstücke nicht mehr relativ zur Umlenkoptik bewegt werden. Insbesondere ist es bei der Bearbeitung von zylindrischen Innenflächen von Bohrungen nicht mehr erforderlich, das Werkstück um den Laserstrahl zu rotieren. Stattdessen können bei erfindungsgemäßer Vorgehensweise alle Bewegungen, die zum Abarbeiten der gesamten zu bearbeitenden Oberfläche durchgeführt werden müssen, von der Umlenkoptik durchgeführt werden. Das bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung deutlich niedrige Gewicht der während der Bearbeitung bewegten Massen ermöglicht es darüber hinaus, den Laserstrahl wesentlich schneller über die zu bearbeitende Fläche zu führen, als dies bei solchen Vorrichtungen der Fall ist, bei denen das jeweilige Werkstück relativ zur Umlenkoptik geführt wird. Ein weiterer Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, dass die Umlenkoptik mit erhöhter Präzision positioniert werden kann. Dies erweist sich besonders dann als vorteilhaft, wenn die Umlenkoptik gegenüber der zu bearbeitenden Oberfläche gedreht wird. Schließlich ist auch die Betriebssicherheit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgrund dessen, dass die während der Oberflächenbearbeitung bewegten Massen minimiert sind, gegenüber dem Stand der Technik, bei dem das Werkstück mit hoher Geschwindigkeit relativ zur Umlenkoptik bewegt werden muss, drastisch erhöht.

Der Umstand, dass beim Einsatz einer erfindungsgemäßen Vorrichtung das jeweils bearbeitete Werkstück stillstehen kann, ermöglicht es darüber hinaus, mehr als eine erfindungsgemäße Vorrichtung gleichzeitig an dem Werkstück zum Einsatz zu bringen. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht daher darin, dass mindestens zwei erfindungsgemäße Vorrichtungen gleichzeitig an unterschiedlichen Oberflächen des jeweiligen Werkstücks arbeiten. Besonders günstig erweist sich dies beispielsweise bei der Bearbeitung der Innenflächen von Zylinderbohrungen eines Motorblocks für einen mehrzylindrigen Verbrennungsmotor. Indem mindestens zwei Zylinderbohrungen gleichzeitig mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bearbeitet werden, können die für die Bearbeitung des gesamten Blocks jeweils benötigten Taktzeiten deutlich verkürzt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Umlenkeinrichtung und die Umlenkoptik gemeinsam in einem Gehäuse angeordnet sind. Auf diese Weise wird eine kompakte Baueinheit erhalten, in der die einzelnen hinsichtlich der Strahlführung wirksamen Elemente in einer festen geometrischen Beziehung zueinander angeordnet werden können.

Wird zur Erzeugung des Laserstrahls eine Laserstrahlquelle, beispielsweise ein Excimer-Laser, eingesetzt, die konstruktionsbedingt einen Stahl mit nicht rundem Querschnitt erzeugt, so führt die Rotation der Umlenkoptik zu einer Änderung der Strahllage auf der zu bearbeitenden Oberfläche in Abhängigkeit vom Drehwinkel mit der Folge, dass die Energieausbringung und die Orientierung des jeweils vom Laserstrahl erfassten Oberflächenabschnitts nicht konstant sind. Dies kann in an sich bekannter Weise dadurch verhindert werden, dass in den Strahlenweg vor die Umlenkoptik eine Blende gesetzt wird, die sich mit der Umlenkoptik um eine gemeinsame Drehachse dreht. Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine solche Blende zweckmäßigerweise so angeordnet, dass der Laserstrahl, bevor er auf die Umlenkeinrichtung trifft, die Blende durchtritt, so dass die Umlenkeinrichtung zwischen der Blende und der Umlenkoptik angeordnet ist. Dazu kann es vorteilhaft sein, auch die Blende in dem Gehäuse anzuordnen, in dem die Umlenkeinrichtung und die Umlenkoptik positioniert sind.

Letzteres gilt insbesondere dann, wenn das Gehäuse um eine sich in Längsrichtung der zu bearbeitenden Fläche erstreckende Drehachse drehbar gelagert ist und ein Drehantrieb zum Drehen des Gehäuses vorgesehen ist. In diesem Fall lässt sich eine Vorrichtung der in Rede stehenden Art mit besonders hohem Wirkungsgrad und geringer Störanfälligkeit dadurch schaffen, dass die Blende, die Umlenkeinheit und die Umlenkoptik drehfest mit dem Gehäuse verbunden sind. Indem erfindungsgemäß die Blende, die Umlenkeinheit und Umlenkoptik gemeinsam um eine Drehachse gedreht werden, wird erreicht, dass sich die Blendenöffnung immer in einer optimalen, festen Position relativ zur Umlenkoptik befindet.

Auf Grund der geringen bewegten Massen können die Umlenkoptik, die Umlenkeinrichtung und die gegebenenfalls vorhandene Blende mit höheren Drehzahlen rotieren, wodurch auch höhere Repetitionsraten ermöglicht werden. Die beim Stand der Technik, bei dem die Werkstücke gedreht werden, erforderlichen Sicherheitsvorkehrungen sind in diesem Maße nicht mehr erforderlich. Aufgrund der wesentlich kleineren Abmessungen und geringeren bewegten Massen können einfache und effektive Sicherheitselemente integriert werden.

Ist eine Blende vorhanden, so kann ihre Blendenöffnung beispielsweise rechtwinklig, insbesondere quadratisch ausgebildet sein. Bei einer derartigen Formgebung der Blendenöffnung lässt sich auf einfach Weise eine gleichmäßige Überdeckung der streifenförmigen Bereiche sicherstellen, in denen der Laserstrahl die zu behandelnde Fläche überfährt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist praktisch unabhängig von der Beleuchtungsoptik. Dies bedeutet, dass mit der Beleuchtungsoptik ein quadratisches Feld in der Blendenebene erzeugt und die Blende selbst rund ausgeführt werden kann. Aufgrund ihrer erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch dann noch besser als konventionelle Vorrichtungen dieser Art, bei denen ein rechteckiges Feld und eine rechteckige Blende miteinander kombiniert werden.

Basierend auf einer rechtwinkligen, insbesondere quadratischen Blendenöffnung kann der Verlust an Laserstrahlenergie an der Blende zusätzlich dadurch minimiert werden, dass die Blende eine polygon geformte Blendenöffnung aufweist. Diese kann beispielsweise dadurch gebildet sein, dass bei einer in der Grundform rechtwinkligen Blendenöffnung die Eckbereiche durch kurze Seitenstücke abgeschrägt sind. Die Anschrägungen in den Eckbereichen ermöglichen es, den von der Blendenöffnung überstrichenen Bereich noch enger an die Querschnittsform des auf die Blende treffenden Laserstrahls anzupassen.

Abhängig von der Querschnittsform des von der Laserquelle erzeugten Laserstrahls weiter verbessert werden kann die Anpassung der Blendenöffnung an die Querschnittsform des Lasers und damit auch die Energieausbeute dadurch, dass die Blendenöffnung vieleckig oder vollständig rund ausgebildet ist.

Eine optimierte Energieverteilung kann gemäß der Erfindung auch dadurch erreicht werden, dass der Laserstrahl, bevor er auf die Blende trifft, eine Strahlformungsoptik durchläuft, die ihn zu einem Strahl mit einer auf das jeweils angestrebte Bearbeitungsziel abgestimmten Energieverteilung formt. Dazu kann die Strahlformungsoptik den Laserstrahl beispielsweise so formen, dass er einen im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt besitzt. Bei dieser Variante der Erfindung wird ein abbildendes Strahlführungssystem verwendet, das in Verbindung mit dem im Gehäuse rotierenden Bauelementen "gegebenenfalls vorhandene Blende", "Umlenkeinrichtung" und "Umlenkoptik" die Erzeugung eines um die Zylindermittenachse rotierenden, jedoch geometrisch konstanten Feldes erlaubt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass sich die optischen Prozessparameter bei der Bearbeitung der jeweiligen Zylinderfläche nicht ändern.

Die Strahlformungsoptik kann den Laserstrahl so umformen, dass er eine Energieverteilung besitzt, die in bestimmten Bereichen des vom Laserstrahl jeweils erfassten Abschnitts der zu bearbeitenden Oberfläche eine gezielt erhöhte Intensität besitzt. Abhängig von der jeweiligen Bearbeitungsaufgabe kann es jedoch auch zweckmäßig sein, den Laserstrahl so umzuformen, dass er eine homogene Energieverteilung aufweist.

Im Fall, dass eine einen im Querschnitt nicht runden Laserstrahl erzeugende Laserquelle eingesetzt wird, formt die eine erfindungsgemäß eingesetzte Strahlformungsoptik im Gegensatz zu konventionellen Zylinderlinsen-Arrays ein rundes Feld, so dass insbesondere in Kombination mit einer quadratischen Blende die Verluste minimiert sind, die durch den an der Blende ausgeblendeten Anteil der Querschnittsfläche des Laserstrahls entstehen. Bei einer mechanischen Kopplung dieser Blende mit dem Gehäuse rotiert die Blende im runden Feld mit derselben Rotationsgeschwindigkeit wie das Gehäuse selbst. Da bei diesem Konzept das Feld nicht direkt auf der Zylinderoberfläche, sondern auf einer Blende erzeugt wird und seine Lage unverändert bleibt, übernimmt die ebenfalls im Gehäuse integrierte Umlenkoptik die Projektion der Blende auf die Zylinderoberfläche.

Die Umlenkung des Laserstrahls in Richtung der zu bearbeitenden Fläche erfolgt vorteilhafterweise über ein monolithisches System, das beispielsweise aus einem Prisma und einer plankonvexen sphärischen Linse zusammengesetzt ist. Diese Variante bietet den Vorteil, dass der Fokus der Umlenkoptik zwischen dem Prisma und der zu bearbeitenden Fläche liegt. Auf diese Weise ist die Belastung des Prismas lediglich durch den Querschnitt des eintretenden Strahlbündels gegeben.

Alternativ zu einem monolithischen System kann jedoch auch eine Kombination aus einem Umlenkspiegel und einer Linse oder mehreren Linsen als Umlenkoptik verwendet werden, wobei hier die Lage des Linsenfokus unter Berücksichtigung der Zerstörschwelle der Umlenkeinheit gewählt werden sollte.

Um eine weitestgehende Entkopplung der Bewegung von Blende und Umlenksystem von den anderen für die Führung und Umformung des Laserstrahls eingesetzten optischen Elemente sicherzustellen, ist es günstig, wenn die Strahlformungseinrichtung außerhalb des Gehäuses drehfest angeordnet ist. Dabei wird der Laserstrahl bevorzugt derart umgeformt, dass er als statisches Beleuchtungsfeld auf die Blende trifft.

Der Durchmesser des Querschnitts des durch den Laserstrahl nach dem Verlassen der Beleuchtungsoptik ausgeleuchteten Beleuchtungsfeldes ist bevorzugt so gewählt, dass eine vollständige Ausleuchtung der jeweils vorhandenen Blende gewährleistet ist. Auf diese Weise ist auch bei einer viereckigen, rechtwinkligen, insbesondere quadratischen Ausbildung der Blendenöffnung der "verlorene" Anteil an Laserstrahl-Energie auf ein Minimum reduziert. Die auf diese Weise bereits gegenüber dem Stand der Technik erzielte Verbesserung des Wirkungsgrades kann, wie erwähnt, bei Einsatz einer Blende mit im Grundsatz rechtwinkliger Blendenöffnung dadurch weiter optimiert werden, dass die Eckbereiche dieser Blendenöffnung gekappt werden. Auf diese Weise kann ein engerer Durchmesser des vom Laserstrahl erzeugten Beleuchtungsfeldes hergestellt und der an der Blende "verlorene" Anteil an Laserstrahlenergie weiter minimiert werden. Die Kappung der Eckbereiche der Blendenöffnung sollte dabei zweckmäßigerweise so auf die Form der Blendenöffnung abgestimmt werden, dass nach wie vor eine einwandfreie, klar definierte und gleichmäßige Abdeckung des jeweils auf der bearbeiteten Fläche belichteten Streifens erzielt wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer zwei Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
1 eine Vorrichtung zum Laserbelichten der Laufflächen von Zylinderöffnungen eines Verbrennungsmotors in einer teilweise längsgeschnittenen Ansicht;
2 die in 1 dargestellte Vorrichtung in einem Querschnitt entlang der in 1 angegebenen Schnittlinie A-A;
3 die in 1 dargestellte Vorrichtung in einem Querschnitt entlang der in 1 angegebenen Schnittlinie B-B;
4 eine zweite Vorrichtung zum Laserbelichten der Laufflächen von Zylinderöffnungen eines Verbrennungsmotors in einer teilweise längsgeschnittenen Ansicht;
5 die in 4 dargestellte Vorrichtung in einem Querschnitt entlang der in 4 angegebenen Schnittlinie A-A;
6 die in 4 dargestellte Vorrichtung in einem Querschnitt entlang der in 4 angegebenen Schnittlinie B-B.
Die in den 1 bis 3 dargestellte Vorrichtung 1 zum Laserbelichten weist einen Laser 2 auf, bei dem es sich beispielsweise um einen so genannten "Excimer-Laser" an sich bekannter Bauart handeln kann. Der vom Laser 2 erzeugte Laserstrahl L wird über ein optisches Führungssystem 3 zu einem Umlenkspiegel 4 geleitet, durch das der Laserstrahl L mit seiner Mittelachse L_M in eine parallel zu der jeweils zu bearbeitenden Oberfläche F ausgerichtete Richtung umgelenkt wird. Das Führungssystem 3 mit dem Umlenkspiegel 4 ist mit Abstand oberhalb eines weiter nicht dargestellten Spanntischs einer ebenfalls nicht dargestellten Spanneinrichtung angeordnet, auf dem der zu bearbeitende Motorblock M befestigt ist, von dem in den Figuren jeweils nur ein kleiner Ausschnitt dargestellt ist. Bei dem Motorblock M kann es sich beispielsweise um einen sechszylindrigen Motorblock für einen PKW-Verbrennungsmotor handeln.
Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 1 einen Dreh- und Stellantrieb 7, an dessen Abtriebsseite ein rohrförmiges, in Richtung des Motorblocks M gerichtetes Gehäuse 8 befestigt ist. Mittels des Dreh- und Stellantriebs 7 kann das Gehäuse 8 mit den in ihm jeweils enthaltenen Elementen um eine Drehachse D gedreht und längs der Drehachse D verstellt werden.
Der Außendurchmesser D_aG des rohrförmigen Gehäuses 8 ist um ein geeignetes Untermaß kleiner als der Durchmesser D_iB der zu bearbeitenden Zylinderöffnung Z des Motorblocks M. Die Länge des Gehäuses 8 ist dabei so bemessen, dass das Gehäuse 8 mit seinem freien Endbereich in der Zylinderöffnung Z über die gesamte Höhe H bewegt werden kann, über die die Fläche F der Zylinderöffnung Z bearbeitet werden soll. Dabei ist das Gehäuse 8 in der Zylinderöffnung Z derart ausgerichtet, dass seine Drehachse D mit der zentralen Längsachse L_Z der Zylinderöffnung Z zusammenfällt.
Das Gehäuse 8 weist an seiner oberen, dem Umlenkspiegel 4 zugeordneten Stirnseite eine Eintrittsöffnung 10 auf, durch die der Laserstrahl L in das Gehäuse 8 eintritt. Grundsätzlich kann unmittelbar in der Eintrittsöffnung 10 eine Blende angeordnet sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist jedoch erst kurz unterhalb der Eintrittsöffnung 10 im Gehäuse 8 eine Blende 11 positioniert, die drehfest mit dem Gehäuse 8 verbunden ist. Die Blendenöffnung 12 der Blende 11 ist quadratisch ausgebildet und derart ausgerichtet, dass ihr Mittelpunkt mit der Drehachse D des Gehäuses 8 zusammenfällt.
Mit Abstand unterhalb der Blende 11 ist eine als planparallele Platte ausgebildete, lichtdurchlässige Umlenkeinheit 13 angeordnet, die ebenfalls drehfest mit dem Gehäuse 8 verbunden ist und unter einem Winkel β schräg zur Drehachse D angewinkelt gehalten ist. Der durch die Blendenöffnung 12 mit einer koaxial zur Drehachse D ausgerichteten Mittelachse L_M tretende, auf die Umlenkeinheit 13 treffende Laserstrahl L wird beim Durchtritt durch die Umlenkeinheit 13 so umgelenkt, dass er beim Verlassen der Umlenkeinheit 13 mit seiner Mittelachse L_M relativ zur Drehachse D versetzt, jedoch weiterhin achsparallel zur Drehachse D aus der Umlenkeinheit 13 austritt.
Weiter unterhalb unter der Umlenkeinheit 13 sitzt eine vorzugsweise monolithisch ausgebildete Umlenkoptik 14, die ebenfalls drehfest mit dem Gehäuse 8 verbunden ist. Die Umlenkoptik 14 ist durch einen Spiegel 15 und eine konvexe Linse 16 gebildet, deren Focus zwischen ihrer gewölbten Stirnseite und der zu bearbeitenden Fläche F liegt.
Benachbart zur Linse 16 ist in die Umfangswand des Gehäuses 8 eine Austrittsöffnung 17 eingeformt, durch die der von der Umlenkoptik 14 umgelenkte Laserstrahl L frei aus dem Gehäuse 8 austritt.
Unterhalb des Umlenkspiegels 4, jedoch vor dem Eintritt des Laserstrahls L in das Gehäuse 8, ist ortsfest eine Strahlformungseinrichtung 18 angeordnet, die den Laserstrahl L so umformt, dass er einen runden Querschnitt mit im Wesentlichen definierter Energieverteilung aufweist.
Die Lage der Umlenkoptik 14 und ihr Abbildungsverhalten sind so abgestimmt, dass der Bereich der stärksten Bündelung des Laserstrahls L bevorzugt im Bereich der Austrittsöffnung 17 liegt, durch die der Laserstrahl L das Gehäuse 8 verlässt, bevor er auf die zu bearbeitende Fläche F trifft. Dies ermöglicht es, die Weite der Ausrittsöffnung 17 auf ein Minimum zu reduzieren. Die derart eng begrenzte Durchtrittsöffnung 17 schützt die Umlenkoptik 14 zusätzlich vor den bei der Bearbeitung sich von der Fläche F lösenden Ablationsprodukten.
Die in den 4 bis 6 dargestellte Vorrichtung 100 zum Laserbelichten ist im Grundsatz genauso aufgebaut wie die zuvor beschriebene Vorrichtung 1, so dass in den 4 bis 6 für übereinstimmende Bauteile und Merkmale dieselben Bezugszeichen wie in den 1 bis 3 verwendet und nachfolgend nur die zwischen den Vorrichtungen 1 und 100 bestehenden Unterschiede beschrieben werden.
Bei der in den 4 bis 6 dargestellten Vorrichtung wird das Gehäuse 8 von einem Drehantrieb 107 getragen, der das Gehäuse 8 lediglich um die Drehachse D drehantreiben kann, im Gegensatz zum Dreh- und Stellantrieb 7 der Vorrichtung 1 jedoch nicht dazu geeignet ist, das Gehäuse 8 auch in axialer Richtung längs der Drehachse D zu bewegen. Um eine Relativbewegung zwischen dem Motorblock M und dem Gehäuse 8 der Vorrichtung 100 zu bewerkstelligen, ist der Motorblock M auf einem hier nicht dargestellten Hubtisch gespannt, der über einen entsprechenden Antrieb den Motorblock M anhebt und absenkt.
Die Blende 111 der Vorrichtung 100 weist im Unterschied zur Blende 11 der Vorrichtung eine kreisrunde Blendenöffnung 112 auf, deren Durchmesser D_B nur um ein geringes Untermaß kleiner ist als der Durchmesser D_L des auf die Blende 111 treffenden Laserstrahls L.
In Strahlrichtung unterhalb der Blende 111 sitzt wie bei der Vorrichtung 1 eine plattenförmig ausgebildete Umlenkeinheit 113, die zu einem stärkeren Versatz im Vergleich zu der Umlenkeinrichtung 13 der Vorrichtung 1 führt. Dadurch ergibt sich ein größerer Abstand zwischen dem letzten optischen Element und der Bearbeitungsoberfläche.
Bei der Vorrichtung 100 ist im unteren Abschnitt des Gehäuses 8, in dem die Umlenkoptik 14 angeordnet ist, in die Innenfläche der Umfangswand des Gehäuses 8 eine Ausnehmung 119 eingeformt. In diese Ausnehmung 119 ist die Umlenkoptik 14 mit ihrer der Umfangswand zugeordneten Seite gesetzt. Auf diese Weise ist bei der Vorrichtung 100 ein maximaler Abstand der Linse 16 der Umlenkeinheit 14 zu der zu bearbeitenden Fläche F hergestellt. Gleichzeitig ist die Umlenkeinheit 14 auf diese Weise so ausgerichtet, dass ihre Einfallfläche 14a mittig zur Mittelachse L_M des Laserstrahls L ausgerichtet ist.
Zur Belichtung der zu bearbeitenden Fläche F werden das Gehäuse 8 und die jeweilige Zylinderöffnung Z des Motorblocks M so zueinander positioniert, dass die Längsachse L_Z der Zylinderöffnung Z mit der Drehachse D des Gehäuses 8 fluchtet. Anschließend wird das Gehäuse 8 bei der Vorrichtung 1 durch Absenken des Gehäuses 8 und bei der Vorrichtung 100 durch Anheben des Motorblocks M bis zur Anfangsposition der Bearbeitung in die Zylinderöffnung Z eingetaucht. Spätestens zu diesem Zeitpunkt wird das Gehäuse 8 in Rotation um die Drehachse D versetzt. Der daraufhin in das Gehäuse 8 geleitete Laserstrahl L trifft zunächst auf die Blende 11 bzw. 111.
Bei der Vorrichtung 1 entspricht der Durchmesser des vom Laserstrahl L ausgeleuchteten Beleuchtungsfelds B der Diagonale der quadratischen Blendenöffnung 12, so dass die Größe der an der Blende 11 ausgeblendeten Randbereiche des Laserstrahls L auf ein Minimum reduziert ist. Der von der Blendenöffnung 12 in Folge der Drehung des Gehäuses 8 überstrichene Bereich ist in 3 durch eine gestrichelte Darstellung verschiedener Drehpositionen der Blendenöffnung 12 angedeutet. Der durch die Blendenöffnung 12 tretende Anteil des Laserstrahls L weist eine quadratische Querschnittsfläche auf.
Der durch die Blende 11 bzw. 111 tretende Laserstrahl L fällt durch die Eintrittsfläche 14a auf den Spiegel 15 der Umlenkoptik 14. Vom Spiegel 15 wird der Laserstrahl L in Richtung der zu bearbeitenden Fläche F projiziert und von der anschließend durchlaufenen Linse 16 so fokussiert, dass ein klar umrissener, eindeutig definierter Abschnitt vom auf die zu bearbeitende Fläche F fallenden Laserstrahl L ausgeleuchtet wird.
Nachdem der erste Umfangsstreifen der zu bearbeitenden Fläche F fertig bearbeitet ist, wird das Gehäuse 8 weiter in die Zylinderöffnung Z eingeschoben, bis die Umlenkoptik 14 relativ zur zu bearbeitenden Fläche F so positioniert ist, dass der an den ersten Streifen angrenzende Umfangsstreifen der Fläche F vom Laserstrahl L überstrichen wird. Alternativ zu einer schrittweisen Verstellung in axialer Richtung kann die Axialverstellung des Gehäuses 8 relativ zum Motorblock M auch kontinuierlich erfolgen, so dass der Laserstrahl L einen kontinuierlichen, wendelförmigen Streifenverlauf überstreicht.
Der Gefahr eines Austritt eines Laserstrahls aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 bzw. 100 kann dadurch begegnet werden, dass die jeweilige Vorrichtung innerhalb einer teleskopisch schließ- und öffenbaren, hier nicht dargestellten Umhausung betrieben wird.

1: Vorrichtung zum Laserbelichten
2: Laser
3: optisches Führungssystem
4: Umlenkspiegel
7: Dreh- und Stellantrieb
8: Gehäuse
10: Eintrittsöffnung
11: Blende
12: Blendenöffnung
13: Umlenkeinheit
14: Umlenkoptik
14a: Einfallfläche der Umlenkoptik 14
15: Spiegel
16: Linse
17: Austrittsöffnung
18: Strahlformungseinrichtung
100: Vorrichtung zum Laserbelichten
107: Drehantrieb
111: Blende
112: Blendenöffnung
113: Umlenkeinheit
119: Ausnehmung
B: Beleuchtungsfeld
D: Drehachse
D_aG: Außendurchmesser des rohrförmigen Gehäuses 8
D_iB: Durchmesser der zu bearbeitenden Zylinderöffnung Z
D_B: Durchmesser der Blendenöffnung 112
D_L: Durchmesser des Laserstrahls L
F: zu bearbeitende Fläche
H: Höhe, über die die Fläche F der Zylinderöffnung Z
: bearbeitet werden soll
L: Laserstrahl
L_M: Mittelachse des Laserstrahls L
L_Z: Längsachse der Zylinderöffnung Z
M: Motorblock
β: Winkel
Z: Zylinderöffnung

Claims

Vorrichtung zum Behandeln von Flächen (F) von metallischen Bauelementen, insbesondere zum Behandeln der Laufbahnen der Zylinderöffnungen (Z) von Verbrennungsmotorblöcken (M), mittels eines Laserstrahls (L), mit einer Umlenkoptik (14) zum Umlenken des Laserstrahls (L) aus einer in Längsrichtung der zu bearbeitenden Fläche gerichteten Richtung in eine von dieser abweichenden, zu der zu bearbeitenden Fläche (F) gerichteten Richtung, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Umlenkoptik (14) eine lichtdurchlässige Umlenkeinheit (13, 113) mit planparallel zueinander und schräg zur Richtung, mit der der Laserstrahl (L) auf die Umlenkeinheit trifft, angeordneten Durchtrittsflächen für den Laserstrahl (L) positioniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinheit (13, 113) als Platte ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinrichtung (13, 113) und die Umlenkoptik (14) gemeinsam in einem Gehäuse (8) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl, bevor er auf die Umlenkoptik (14) trifft, durch eine Blende (11, 111) tritt und dass die Umlenkeinrichtung (13, 113) zwischen der Blende (11, 111) und der Umlenkoptik (14) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (11, 111) in dem Gehäuse (8) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (8) um eine sich in Längsrichtung der zu bearbeitenden Fläche (F) erstreckende Drehachse (D) drehbar gelagert ist und ein Drehantrieb (7) zum Drehen des Gehäuses (8) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Gehäuse (8) angeordneten Elemente drehfest mit dem Gehäuse (8) verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (11) eine rechtwinklige Blendenöffnung (12) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenöffnung (12) quadratisch ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (111) eine kreisrunde Blendenöffnung (112) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (11) eine Blendenöffnung (12) mit einer polygonen Grundform aufweist.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (L), bevor er auf die Blende (11, 111) trifft, eine Strahlformungsoptik (18) durchläuft, die ihn zu einem Strahl mit im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt in der Blendenebene formt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (L) derart umgeformt wird, dass er als statisches Beleuchtungsfeld auf die Blende (11, 111) trifft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Laserstrahls (L) nach dem Verlassen der Strahlformungsoptik (18) derart bemessen ist, dass er die größte Diagonale der Blendenöffnung (12) ausleuchtet.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (8) rohrförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkoptik (14) einen Spiegel (15) zum Ablenken des Laserstrahls (L) in Richtung der jeweils zu bearbeitenden Fläche (F) aufweist.
Verfahren zum Behandeln von Flächen von metallischen Bauelementen, insbesondere zum Behandeln der Laufbahnen der Zylinderöffnung (Z) von Verbrennungsmotorblöcken (M), mittels eines Laserstrahls (L), bei dem der Laserstrahl (L) mit Hilfe einer Umlenkoptik (14) aus einer in Längsrichtung der zu bearbeitenden Fläche (F) gerichteten Richtung in eine von dieser abweichende, zu der zu bearbeitenden Fläche (F) gerichtete Richtung umgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (L) vor seinem Auftreffen auf die Umlenkoptik (14) derart geführt wird, dass seine Mittelachse (L_M) achsparallel zur Drehachse (D), jedoch versetzt zu dieser angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkoptik (14) gemeinsam mit einer für das Umlenken des Laserstrahls eingesetzten Umlenkeinheit (13, 113) um eine Drehachse (D) gedreht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (L), vor seinem Auftreffen auf die Umlenkeinrichtung (13, 113) zu einem Strahl (L) umgeformt wird, der einen kreisrunden Querschnitt aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (L) derart umgeformt wird, dass er über seinen Querschnitt eine definierte Verteilung seiner Energiedichte aufweist.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (L) derart umgeformt wird, dass er bei seinem Auftreffen auf die Blende (11) ein statisches Beleuchtungsfeld bildet.